李仕武 謝明運(yùn) 王景貴

（廣州廣合科技股份有限公司，廣東 廣州 510730）

1 背景

在印制電路板的生產(chǎn)過程中，孔壁質(zhì)量的可靠性一直都是重點(diǎn)控制項(xiàng)目?？變?nèi)無銅是影響孔壁質(zhì)量可靠性的一種常見缺陷，因其在生產(chǎn)過程中的探測度很低，必須在電測流程才能發(fā)現(xiàn)，因此是PCB板廠普遍比較頭疼的問題。

尤其是圖形電鍍流程的漸薄型孔內(nèi)無銅，該缺陷板面電鍍銅層正常，圖形電鍍銅層孔口正常，銅層厚度往孔中心延伸時(shí)迅速變薄。因?yàn)檫€有銅層能導(dǎo)電，因此該缺陷在電測流程的探測度很低，漏檢到客戶端貼片時(shí)經(jīng)過高溫焊接造成孔銅開路失效的風(fēng)險(xiǎn)很高。

近年來，伴隨著電子通信行業(yè)的迅速發(fā)展，不僅對于PCB板的信號傳輸性能提出嚴(yán)格的需求，PCB板的板厚、厚徑比等也隨之上升。在電鍍過程中，一般來說，對于板面與孔內(nèi)的銅層厚度差異主要是由板厚與孔徑?jīng)Q定。依據(jù)通孔電鍍公式，板面與孔內(nèi)的歐姆電阻差見式（1）。

式中，I——陰極電流密度，L——板厚，K——電導(dǎo)率，D——孔徑。因此，對于生產(chǎn)板的電鍍難度系數(shù)可以表示為（L2/D）=D（L/D）2，從式子可以看出，最小孔徑一定的情況下，難度系數(shù)是隨著厚徑比平方增長[1][2]。

為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高制作能力，2018年底公司導(dǎo)入新圖形電鍍線，經(jīng)測試其直流銅缸能滿足厚徑比12:1量產(chǎn)的生產(chǎn)制作與品質(zhì)要求。但在2019年底，生產(chǎn)某款厚徑比10:1的生產(chǎn)板時(shí)，出現(xiàn)高比例的圖形電鍍銅缸氣泡類型的孔內(nèi)無銅，因該缺陷電測漏測的高風(fēng)險(xiǎn)性，需盡快查清異常發(fā)生原因，恢復(fù)正常生產(chǎn)。本文主要對此問題進(jìn)行分析，找出真因，最終解決孔內(nèi)無銅問題，為制程改善提供參考依據(jù)。

2 孔內(nèi)無銅理論分析

公司的服務(wù)器板，一般都采用最小孔徑0.25 mm設(shè)計(jì)，當(dāng)最小孔徑一定時(shí)，電鍍過程中的難度系數(shù)（L2/D）與厚徑比的平方值正相關(guān)。因此，高厚徑比板在電鍍過程中，要想得到較好的孔壁鍍銅質(zhì)量，就要降低孔內(nèi)電化學(xué)反應(yīng)過程中的難易程度。而降低小孔電鍍難度，最重要的兩點(diǎn)在于電鍍之前提高小孔孔壁的潤濕性，增強(qiáng)孔內(nèi)藥水交換[1]。某種程度上，圖形電鍍孔內(nèi)無銅可以看作是一種深鍍能力極小的狀態(tài)。以上兩點(diǎn)，與孔內(nèi)無銅的產(chǎn)生相關(guān)。除此之外，還需考慮孔內(nèi)氣泡的產(chǎn)生問題。

總而言之，圖形電鍍孔內(nèi)無銅主要受這三點(diǎn)影響：（1）小孔孔內(nèi)潤濕不良；（2）孔內(nèi)氣泡的產(chǎn)生；（3）排出氣泡的能力。而這三點(diǎn)，也存在著互相關(guān)聯(lián)的影響，以下分別敘述。

2.1 小孔孔內(nèi)潤濕不良

潤濕性，是指一種流體在一種固體表面鋪展的能力。潤濕，是指一種流體（液體或者氣體）被另一種流體固體表面驅(qū)趕置換的過程。從在進(jìn)行電鍍時(shí)，板件浸潤在鍍液中，這時(shí)存在兩種界面，即板件的固體界面與鍍液的液體界面。要想電鍍開始進(jìn)行，首要條件就是鍍液在電鍍銅面上充分鋪展?jié)櫇?。但液體都有內(nèi)聚性，使液體表面產(chǎn)生向液體內(nèi)部收縮的張力，稱為表面張力。降低鍍液的表面張力，鍍液在固體界面的接觸角變小，才能使鍍液在板件銅面上鋪展開來，充分潤濕，從而使電鍍順利進(jìn)行。

影響液體表面張力的因素主要有以下幾個：固體表面污染，固體的表面粗糙度，鍍液潤濕劑等。因此，電鍍前處理至關(guān)重要，通過除油把板件表面污染、氧化等處理干凈，通過微蝕增加表面粗糙度，才能為后面電鍍時(shí)達(dá)到良好的孔內(nèi)電鍍質(zhì)量做好準(zhǔn)備。

除了選用表面張力較低且清潔效果較好的除油劑，控制好適當(dāng)?shù)乃幩疂舛扰c溫度之外，小孔孔內(nèi)要達(dá)到良好的清潔處理效果，還需要通過外力的方式增加孔內(nèi)藥水流動交換。因此，振動與搖擺等外力裝置對前處理缸也是必不可少。當(dāng)小孔因某種失效因素產(chǎn)生潤濕不良的情況，液體潤濕固體表面，排出氣泡的能力也變差，也就增加了產(chǎn)生氣泡類孔內(nèi)無銅的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 孔內(nèi)氣泡的產(chǎn)生

孔內(nèi)氣泡的產(chǎn)生，主要有以下三種情況。

2.2.1 過濾系統(tǒng)產(chǎn)生氣泡

亨利定律，是物理化學(xué)的基本定律之一，表述為：在一定的溫度和壓強(qiáng)下，一種氣體在液體里的溶解度與該氣體的平衡壓強(qiáng)成正比。亨利公式見式（2）所示。

公式中：H為亨利常數(shù)，x為氣體摩爾分?jǐn)?shù)溶解度，Pg為氣體的壓強(qiáng)。從亨利公式可以得知，氣體溶解度與壓強(qiáng)正相關(guān)，隨著壓強(qiáng)的上升而增大，壓力越大，溶解的氣體越多?？諝庠谒校S壓強(qiáng)上升的溶解度如圖1所示。

圖1 空氣在水中的溶解度

電鍍線一般都配置過濾系統(tǒng)，過濾泵運(yùn)作時(shí)，加壓狀態(tài)下使電鍍液溶解過量的空氣，鍍液內(nèi)的空氣溶解度呈現(xiàn)過飽和狀態(tài)。當(dāng)藥水通過循環(huán)管道回到銅缸內(nèi)時(shí)，重新恢復(fù)到正常壓力?？諝馊芙舛入S著壓強(qiáng)的變小而降低，從而析出氣泡[3]。另外，過濾泵吸入的大氣泡氣體，經(jīng)過過濾桶內(nèi)的棉芯時(shí)，也會被擠壓成大量的微小氣泡。

控制這種過濾系統(tǒng)產(chǎn)生的氣泡，主要有幾個控制要點(diǎn)：（1）避免過濾抽空吸入過多空氣，主要關(guān)注管口的液位，避免抽空，其次，管道密封良好，避免吸入空氣；（2）過濾桶排氣管道順暢，排出過濾桶內(nèi)的氣體，降低壓強(qiáng)。

2.2.2 析氫反應(yīng)

實(shí)際的電極反應(yīng)過程中，會發(fā)生偏離理想電極反應(yīng)的情況，即陰極電位比理論值低，陽極電位比理論值高的情況，這叫過電位。過電位主要是電極極化產(chǎn)生，電極的極化有兩種，分別是濃差極化與活化極化。電鍍過程需要消耗陰極附近的溶質(zhì)，如果溶液的濃度擴(kuò)散不及時(shí)，就會導(dǎo)致電極附近的溶質(zhì)濃度下降，對于陰極來說，是氧化態(tài)的濃度下降，基于能斯特方程，析氫電位會下降。當(dāng)氫氣析出的過電位小于金屬在陰極上析出的過電位，氫氣就會在陰極上析出，發(fā)生析氫現(xiàn)象。

氫氣析出的過電位，與鍍液成分，溫度、陰極表面狀態(tài)、電流密度等狀況有關(guān)。酸性硫酸鹽鍍銅體系下，在鍍液成分、溫度、電流密度、板件清潔等因素穩(wěn)定受控的情況下，陰極電流效率可達(dá)95%～100%之間。實(shí)際電鍍生產(chǎn)過程中，過電位不可能避免，因此析氫現(xiàn)象的產(chǎn)生也無法徹底避免，但可以通過控制恰當(dāng)?shù)乃幩疂舛取⑸淞?、打氣、搖擺、振動，來保證鍍液的交換擴(kuò)散，降低析氫產(chǎn)生。電鍍線狀態(tài)正常的狀態(tài)下，產(chǎn)生的小量氫氣也會在電鍍線排出氣泡的能力作用下，也會迅速脫附逸出。

2.2.3 生產(chǎn)板帶入

生產(chǎn)板小孔內(nèi)有空氣，當(dāng)板件進(jìn)入藥水缸時(shí)，遺留下的空氣形成氣泡。但這種沒辦法避免，只能依靠電鍍線排出氣泡的能力處理。

2.3 排出氣泡的能力

小孔孔內(nèi)有氣泡存在的情況下，就形成固體/液體/氣體三相界面。小孔孔內(nèi)是個特殊的環(huán)境，即使鍍液的潤濕能力足夠強(qiáng)，大于氣泡與孔壁固體界面的吸附力，因?yàn)樯戏揭灿锌妆谡趽?，也無法在鍍液浮力和潤濕驅(qū)趕的作用下脫離孔內(nèi)。在沒有外力做功的情況下，小孔孔內(nèi)氣泡的脫離過程不會自發(fā)進(jìn)行[4]。小孔氣泡從孔內(nèi)脫離，直接動力來自鍍液流體的作用合力，而在龍門式的電鍍線上，一般采用振動與搖擺施加作用力，而這兩種外力的作用也有不同。

2.3.1 搖擺

搖擺提供藥水交換與趕出氣泡的直接動力，表現(xiàn)形式是板件在搖擺的帶動下，在缸內(nèi)來回?fù)u擺。以板件為參考物時(shí)，藥水就以一定的速度、壓力作用在板面上。在PCB板面，必須有足夠外加的能量，才能保證小孔內(nèi)的液體流動速度，交換藥水，并在藥水沖擊壓力下，將孔內(nèi)氣泡沖出來。

2.3.2 振動

使藥水從孔內(nèi)流動的方式從層流變?yōu)橥牧鞯淖饔昧εc能量，主要由振動來提供。此外，對于小孔孔內(nèi)的氣泡，振動提供的作用力迫使氣泡從附著的孔壁上脫離，且在強(qiáng)烈的振動作用下，破碎成更小氣泡，降低氣泡從孔內(nèi)脫離逸出的難度。

自然條件下，流體都有黏性，流體從管道中流過，有層流和湍流兩種不同的運(yùn)動形態(tài)。處于層流狀態(tài)時(shí)，越靠近管壁，流體速度越小，越靠近管道中心，流體速度越大。而湍流狀態(tài)下，流體強(qiáng)烈分離與混合，各處的速度分布比較均勻，且劇烈交換能量、動量。即，在需要發(fā)生電鍍反應(yīng)的孔壁，當(dāng)藥水處于層流狀態(tài)時(shí)，孔壁處的帶電離子擴(kuò)散與交換不夠充分，會影響電鍍效果；而在湍流狀態(tài)下，帶電離子的擴(kuò)散要比層流狀態(tài)下強(qiáng)烈得多，流體各質(zhì)點(diǎn)團(tuán)的速度基本一致，孔壁處的帶電離子可以充分?jǐn)U散交換。層流與湍流的示意圖，如圖2所示。

圖2 層流與湍流示意圖

流體流動的流動區(qū)分，可以用雷諾數(shù)來表征。在管道流體中，雷諾數(shù)小于2300的流動是層流，雷諾數(shù)等于2300～4000為過渡狀態(tài)，雷諾數(shù)＞4000時(shí)是湍流。雷諾數(shù)公式見式（3）所示。

其中v、ρ、μ分別為流體的流速、密度與黏性系數(shù)，d為特征長度，例如流體流過圓形管道，則d為管道的當(dāng)量直徑。在實(shí)際電鍍生產(chǎn)中，一定的鍍液密度、粘性系數(shù)與一定的最小孔徑下，雷諾數(shù)主要與流速成正比。但在龍門線的生產(chǎn)過程中，過快的搖擺速度會帶來掉板等不良影響，光靠搖擺改變板孔內(nèi)鍍液流動狀態(tài)不可取，就需要振動輔助。

振動與搖擺的配合，會更有效地促進(jìn)孔內(nèi)藥水交換擴(kuò)散，并排除孔內(nèi)氣泡。

3 案例分析

3.1 問題描述

公司電測工序反饋生產(chǎn)型號16XX192出現(xiàn)批量孔內(nèi)無銅，查該型號的板厚、最小孔、厚徑比等相關(guān)信息，并整理電測良率數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 16XX192孔內(nèi)無銅信息

不良的4塊板都是0.25 mm最小孔，4片板都送樣切片分析失效類型，確定是圖形電鍍工序的銅缸氣泡類型孔內(nèi)無銅，切片形態(tài)如圖3所示。

圖3 16XX192孔內(nèi)無銅切片結(jié)果

3.2 生產(chǎn)記錄調(diào)查

調(diào)查這批板子的生產(chǎn)過程，是在新的圖電B線生產(chǎn)，找到該批板的在圖電B線生產(chǎn)時(shí)的前后型號，查找電測良率報(bào)表，整理相關(guān)信息如表2所示。同時(shí)查不良型號16XX192前期的圖形電鍍孔內(nèi)無銅不良數(shù)據(jù)，在2019年3月～6月有量產(chǎn)，也是在圖電B線生產(chǎn)，但期間未發(fā)現(xiàn)圖形電鍍孔內(nèi)無銅不良，11月底測到2 set不良（不良率1.79%），12月初這批測到4 set不良（不良率2.07%）。

表2 16XX192同期圖電B線生產(chǎn)板的電測數(shù)據(jù)

綜上信息考慮，16XX192前期在圖電B線生產(chǎn)未出現(xiàn)圖電孔內(nèi)無銅不良，同期生產(chǎn)的其他型號厚徑比該型號低，電測檢測結(jié)果未出現(xiàn)不良，說明是在制程中出現(xiàn)異常情況，導(dǎo)致該線在制作高厚徑比板時(shí)產(chǎn)生孔內(nèi)無銅。隨后，跟進(jìn)該板最新批次也發(fā)現(xiàn)有孔內(nèi)無銅問題，但現(xiàn)場檢測振動頻率與搖擺等未發(fā)現(xiàn)異常，需進(jìn)一步全面分析，查找根因。

3.3 影響因素分析

不良型號16XX192是在圖形電鍍B線生產(chǎn)，而該線的工藝流程如圖4所示。各缸的配置情況簡述：除油、微蝕、酸洗缸配置振動器與過濾桶，鍍銅、鍍錫缸配置振動器與二級過濾，產(chǎn)線使用打氣方式增強(qiáng)藥水交換，其中鍍銅缸的構(gòu)造如圖5所示。基于以上圖形電鍍流程的孔內(nèi)無銅產(chǎn)生機(jī)理，結(jié)合生產(chǎn)線實(shí)際構(gòu)造情況，考慮過程變更，經(jīng)現(xiàn)場實(shí)際確認(rèn)，先后發(fā)現(xiàn)有以下幾個影響點(diǎn)。

圖4 圖電B線的工藝流程圖

圖5 圖電B線鍍銅缸構(gòu)造圖

（1）除油溫度影響。前期改善滲鍍問題，將除油溫度在控制范圍內(nèi)下調(diào)1 ℃，日常點(diǎn)檢溫度還在控制范圍內(nèi)，但可能存在影響除油清潔效果的情況。

（2）銅缸過濾桶排氣堵塞影響。檢查產(chǎn)線銅缸的過濾桶排氣閥，發(fā)現(xiàn)個別銅缸排氣閥門活接位置有異物，可能存在影響過濾桶排氣的情況。

（3）除油缸振動器過載影響。排查設(shè)備故障時(shí)，發(fā)現(xiàn)除油缸振動器偶爾有過載報(bào)警，可能存在影響振動，進(jìn)而影響小孔內(nèi)除油藥水交換，影響清潔效果的情況。

4 影響因素驗(yàn)證

4.1 除油溫度因素驗(yàn)證

圖電B線的除油缸溫度控制范圍是50±2 ℃，工藝范圍是50±4 ℃。前期為了改善滲鍍問題，將其溫度設(shè)定值由50 ℃調(diào)整為49 ℃。雖然藥水實(shí)際溫度在控制范圍，且當(dāng)時(shí)已經(jīng)驗(yàn)證過未衍生其他不良問題，但懷疑可能存在除油溫度降低，影響藥水對高厚徑比板的小孔孔壁清潔效果的可能性，有必要重新驗(yàn)證。因此，將除油溫度恢復(fù)原設(shè)定值后，且實(shí)際溫度確認(rèn)由之前的49 ℃上升到50 ℃中值。再安排同樣型號試板跟進(jìn)驗(yàn)證孔內(nèi)無銅不良率，如圖6所示。從試板結(jié)果數(shù)據(jù)可以看出，孔內(nèi)無銅不良率2.38%，不良板做失效分析，同樣是圖形電鍍銅缸氣泡，說明除油溫度調(diào)整確實(shí)不是這次圖電氣泡孔內(nèi)無銅的影響因素。

圖6 除油溫度因素試板驗(yàn)證結(jié)果

4.2 銅缸過濾排氣因素驗(yàn)證

圖電B線的銅缸采用二級過濾，銅缸循環(huán)藥水先經(jīng)過一個裝過濾袋的過濾桶，再經(jīng)過一個裝濾芯（棉芯與碳芯）的過濾桶，再循環(huán)回到銅缸。現(xiàn)場檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)個別過濾泵的排氣管道有排氣不順暢的情況，打開閥門活接檢查發(fā)現(xiàn)有異物塞住排氣管口。異物主要是基材碎屑和干膜碎屑。過濾桶在排氣不暢的情況下，可能桶內(nèi)氣壓升高，導(dǎo)致藥水回到缸內(nèi)時(shí)釋放溶解過飽和的空氣，增加發(fā)生氣泡類孔內(nèi)無銅的風(fēng)險(xiǎn)。

逐個檢查圖電B線過濾桶及其排氣情況，并清理排氣管口的異物。按前期經(jīng)驗(yàn)，過濾桶存在漏氣的情況下，用燒杯裝藥水背光檢查可以看到鍍液中有細(xì)小氣泡。清理完過濾排氣管的異物，并關(guān)閉各銅缸打氣之后，用燒杯裝藥水檢查每個銅缸藥水都沒有細(xì)小氣泡。再安排試板跟進(jìn)驗(yàn)證孔內(nèi)無銅不良率，結(jié)果如圖7所示。從試板結(jié)果數(shù)據(jù)可以看出，孔內(nèi)無銅不良率2.29%嚴(yán)重，不良板做失效分析，同樣是圖形電鍍銅缸氣泡，說明銅缸過濾排氣不暢也不是這次圖電氣泡孔內(nèi)無銅的影響因素。

圖7 銅缸過濾排氣因素試板驗(yàn)證結(jié)果

4.3 除油振動器過載因素驗(yàn)證

導(dǎo)出圖電B線的PLC設(shè)備記錄，逐個檢查，發(fā)現(xiàn)14號除油缸偶有“電振超載”的記錄?，F(xiàn)場跟進(jìn)檢查，發(fā)現(xiàn)這個振動器發(fā)生這種報(bào)警時(shí)，振動器開始仍在工作，但持續(xù)一會后會停下。振動參數(shù)設(shè)置是振動20 s停止10 s，實(shí)際振動時(shí)間不足20 s。更換振動器之后，確認(rèn)未再發(fā)生這種情況。同時(shí)，同步排查測試其他振動器的振動時(shí)間，確認(rèn)沒有類似的振動時(shí)間不足問題。再次安排試板跟進(jìn)驗(yàn)證孔內(nèi)無銅不良率。本批試板未產(chǎn)生孔內(nèi)無銅不良，初步判斷除油振動器過載，振動時(shí)間不足，是這次圖電氣泡孔內(nèi)無銅的影響因素。根據(jù)以上驗(yàn)證結(jié)果，將本次失效模式細(xì)化并文件化后培訓(xùn)員工，并繼續(xù)跟進(jìn)該型號大批量生產(chǎn)，共生產(chǎn)36LOT板，跟進(jìn)到電測確認(rèn)未產(chǎn)生圖形電鍍銅缸氣泡類型的孔內(nèi)無銅不良，驗(yàn)證改善效果合格。依此可以確認(rèn)，除油缸振動器過載，振動時(shí)間不足是引起本批圖形電鍍孔內(nèi)無銅的產(chǎn)生原因。將其恢復(fù)正常，并持續(xù)控制好，能有效解決這次孔內(nèi)無銅問題。

5 結(jié)論

針對一款高厚徑比板的圖形電鍍孔內(nèi)無銅問題進(jìn)行系統(tǒng)分析層別，得出結(jié)論為除油缸振動器過載，振動時(shí)間不足導(dǎo)致小孔內(nèi)潤濕不良，影響孔內(nèi)氣泡排出產(chǎn)生。高厚徑比板的電鍍難度系數(shù)高，對小孔孔壁潤濕性要求很高，而小孔孔內(nèi)潤濕性需要通過穩(wěn)定受控的藥水濃度、溫度，以及振動、搖擺等外力增強(qiáng)孔內(nèi)藥水流動性來保證。當(dāng)電鍍線出現(xiàn)影響小孔潤濕性的因素時(shí)，就容易產(chǎn)生電鍍孔內(nèi)無銅不良。本文的分析案例希望能為后續(xù)制程改善提供參考依據(jù)。

致謝：本項(xiàng)目的分析改善過程得到謝明運(yùn)經(jīng)理、王景貴工程師、黃軍立工程師的大力支持，在此向他們致以衷心的感謝！